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Co-activation of NMDAR and mGluRs controls protein nanoparticle-induced osmotic pressure in neurotoxic edema - 04/12/23

Doi : 10.1016/j.biopha.2023.115917 
Zihui Zheng a, 1, Zhaoshun Qiu a, 1, Xiyu Xiong a, Aobo Nie a, Wenzhao Zhou a, Huimin Qiu a, Huanhuan Zhao b, Huiwen Wu c, , Jun Guo a,
a Department of Biochemistry and Molecular Biology, School of Medicine & Holistic Integrative Medicine, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing, Jiangsu 210023, China 
b Basic Medical Experiment Center, School of Medicine & Holistic Integrative Medicine, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing, Jiangsu 210023, China 
c Laboratory Center for Basic Medical Sciences, Nanjing Medical University, Nanjing 211166, China 

Correspondence to: School of Medicine & Holistic Integrative Medicine, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, Jiangsu, China.School of Medicine & Holistic Integrative Medicine, Nanjing University of Chinese MedicineNanjingJiangsu210023China⁎⁎Corresponding author.

Abstract

Background

Glutamate stimuli and hyperactivation of its receptor are predominant determinants of ischemia-induced cytotoxic cerebral edema, which is closely associated with protein nanoparticle (PN)-induced increases in osmotic pressure. Herein, we investigated the electrochemical and mechanical mechanisms underlying the neuron swelling induced by PNs via the co-activation of N-methyl-D-aspartate receptor subunit (NMDAR) and excitatory metabotropic glutamate receptors (mGluRs).

Results

We observed that co-activation of ionic glutamate receptor NMDAR and Group I metabotropic mGluRs promoted alteration of PN-induced membrane potential and increased intracellular osmosis, which was closely associated with calcium and voltage-dependent ion channels. In addition, activation of NMDAR-induced calmodulin (CaM) and mGluR downstream diacylglycerol (DAG)/protein kinase C α (PKCα) were observed to play crucial roles in cytotoxic hyperosmosis. The crosstalk between CaM and PKCα could upregulate the sensitivity and sustained opening of sulfonylurea receptor 1 (SUR1)-transient receptor potential cation channel subfamily M member 4 (TRPM4) and transmembrane protein 16 A (TMEM16A) channels, respectively, maintaining the massive Na+/Cl- influx, and the resultant neuron hyperosmosis and swelling. Intracellular PNs and Na+/Cl- influx were found to be as potential targets for cerebral edema treatment, using the neurocyte osmosis system and a cerebral ischemic rat model.

Conclusions

This study highlights PNs as a key factor in “electrochemistry-tension” signal transduction controlling Na+/Cl- ion channels and increased osmotic pressure in ischemia-induced cytotoxic edema. Moreover, enhanced sensitivity in both Na+ and Cl- ion channels also has a crucial role in cerebral edema.

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Graphical Abstract




ga1

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Highlights

Co-activation of NMDAR and Group I mGluRs promotes PNs-induced neuronal hyperosmosis.
PNs exert electrophysiological effects and activate ion channels.
PKCα and CaM enhance sensitivity of SUR1-TRPM4 and TMEM16A channel currents.
PNs and Na+ /Cl- influx as potential targets for cerebral edema treatment.
Electrochemistry-tension signal transduction controls cytotoxic cerebral edema.

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Abbreviations : AMPAR, CaM, DAG, FRET, Gli, Hepa, IF, iGluRs, KAR, MF, MT, mGluRs, Nim, NMDAR, OP, PKC, PNs, PN-OP, SenA, Shik, SUR1-TRPM4, TMEM16A, Tran

Keywords : Protein nanoparticle-induced osmotic pressure, Neurotoxic edema, Glutamate receptors co-activation, Electrochemistry-tension, Enhanced sensitivity in Na+/Cl- ion channels


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Vol 169

Article 115917- décembre 2023 Retour au numéro
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